電網(wǎng)諧波治理相關(guān)問題探討

【摘要】 文章對諧波國標(biāo)的可操作性、供電企業(yè)的責(zé)任、諧波用戶管理及諧波治理方案的選擇等問題進(jìn)行了探討，并提出了自己的看法，對電網(wǎng)的諧波治理工作有一定的參考意義。

【關(guān)鍵詞】 諧波治理 國標(biāo) 供電企業(yè)的責(zé)任諧波源探討

引言

隨著大量非線性負(fù)荷的使用，電網(wǎng)的諧波污染問題日益突出，諧波的主要危害表現(xiàn)為：增加電網(wǎng)及用電設(shè)備損耗、危害電氣設(shè)備絕緣、影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行、降低設(shè)備使用壽命、影響電能計量裝置準(zhǔn)確計量、導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置拒動或誤動等。治理諧波污染極具現(xiàn)實(shí)意義。諧波治理是系統(tǒng)工程，需供用電雙方共同努力。舟山電網(wǎng)主要諧波源用戶為船舶修造廠及中頻爐企業(yè)，現(xiàn)有百余家造船廠，其中35kV及以上電壓等級供電的船舶修造廠有12家。諧波治理工作隨著這些造船廠的投產(chǎn)同步進(jìn)行，現(xiàn)就實(shí)際工作中遇到的若干問題進(jìn)行探討。

1 關(guān)于國標(biāo)的可操作性

GB／T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對公用電網(wǎng)各電壓等級的諧波電壓限值及對用戶的諧波電流指標(biāo)分配作出了規(guī)定，供電企業(yè)以此為依據(jù)控制電網(wǎng)的諧波水平，但在執(zhí)行過程中發(fā)現(xiàn)以下問題。

1.1 用戶i的第h次諧波電流的允許值I_hi算法中相關(guān)參數(shù)的取值不夠明確

國標(biāo)規(guī)定：用戶i的第h次諧波電流的允許值：

I_hi＝I_h(S_i/S_t)^1/a

(1)式中：I_h——公共連接點(diǎn)上總的第h次諧波電流允許值；

S_i——第i個用戶的協(xié)議用電容量；

S_t——公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量；

α——相位疊加系數(shù)。

1.1.1 國標(biāo)未明確S_t的算法

國標(biāo)中明確S_k1是取系統(tǒng)最小短路容量，即式(1)中的，h是最小短路容量下的允許值，因此S_i應(yīng)該按此運(yùn)行方式下取值才合理。而實(shí)際執(zhí)行中，有人用全部供電變壓器容量來計算，也有人按線路最大輸送容量來計算。特別是對于以最高電壓等級接人的用戶更是難以確定S_t，如下例：

CS造船廠是以舟山電網(wǎng)最高電壓等級110kV供電的用戶，供電單線圖如圖1所示。

有以下兩種算法來確定S_t

(1)以ZDl931線最大輸送容量作為S。

(2)以系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下電業(yè)DS變，電業(yè)XS變及CS用戶變主變?nèi)萘恐妥鳛镾_t。

這兩種算法計算出來的S_t肯定不是同一數(shù)值，但這兩種算法在對應(yīng)不同的供電環(huán)境下都是合理的。因諧波源是電流源，無論是電業(yè)DS變，電業(yè)XS變還是CS用戶變的諧波源產(chǎn)生的諧波電流最終都流入A點(diǎn)，如果ZDl93l線最大輸送容量小于最小運(yùn)行方式下其所接帶變電所的主變?nèi)萘恐?，那么第一種算法較合理，因為在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，線路的實(shí)際輸送容量應(yīng)被有效控制在最大輸送容量以內(nèi)，故按此算法來確定用戶電流限值就能確保流入A點(diǎn)的所有用戶的諧波電流值不超國標(biāo)，而按算法二確定的S_t來計算用戶諧波電流限值就顯得要求太嚴(yán)，不合理。如果ZDl931線最大輸送容量大于最小運(yùn)行方式下其所接帶變電所的主變?nèi)萘恐?，即使未來有新變電所接入ZDl931線，都不可能改變此狀況，那么按算法二來確定S_t較合理，而以按算法一確定的S_t來計算用戶諧波電流限值就顯得要求太嚴(yán)，將使流入PCC點(diǎn)的總諧波電流永遠(yuǎn)大大小于流入PCC點(diǎn)的總諧波電流允許值，造成指標(biāo)浪費(fèi)。

以非最高電壓等級接入的用戶，也存在類似問題。如以35kV供電的用戶，有按系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下，上級供電變電所主變?nèi)萘縼泶_定S_t的，也有按同級變電所母線供電容量即電源進(jìn)線的輸送容量來確定S_t的。有學(xué)者認(rèn)為應(yīng)按同級變電所母線供電容量來確定S_i，筆者認(rèn)為按上級供電變電所主變?nèi)萘縼泶_定S_t是正確的，而以同級變電所母線供電容量即電源進(jìn)線的輸送容量確定的S來計算用戶諧波電流限值，會導(dǎo)致對用戶的諧波電流限值過于寬松，最終造成流入PCC點(diǎn)的總諧波電流超國標(biāo)規(guī)定。如圖2所示。

同樣，也有兩種算法確定S_t。

(1)按系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下電業(yè)PT變主變?nèi)萘看_定S_t。

(2)按PM線最大輸送容量確定S_t。

用戶OH變的諧波電流最終流入電業(yè)PT變的35kV母線，應(yīng)該按用戶OH變協(xié)議用電容量與供電容量即最小運(yùn)行方式下電業(yè)PT變主變?nèi)萘恐葹榛A(chǔ)計算用戶諧波電流的允許值。設(shè)想PM線很短，阻抗可忽略，以致B點(diǎn)與C點(diǎn)短路容量近似相等，PM線輸送容量又很小，在此情況下按方法二來確定S_t，就會導(dǎo)致對用戶OH的諧波電流限值過于寬松，最終造成流入電業(yè)PT變的35kV母線的總諧波電流超國標(biāo)規(guī)定。

1.1.2 S_i的確定視用戶的供電方式而異

國標(biāo)中明確S_i是用戶協(xié)議用電容量，在實(shí)際執(zhí)行中都按供用電合同中約定的用電容量執(zhí)行，這是不合理的，考慮以下兩種情況：

(1)供用電合同中約定的用電容量包括了事故備用的用電容量，而將事故備用的用電容量也計算在用戶協(xié)議用電容量內(nèi)，這是不合理的，對于單電源供電的用戶應(yīng)該以基本電費(fèi)計收容量作為S_i，因為供電營業(yè)規(guī)則規(guī)定，在受電裝置一次側(cè)裝有連鎖裝置，互為備用的變壓器(不通過變壓器的高壓電動機(jī))，按可能同時使用的變壓器(高壓電動機(jī))容量之和的最大值計收基本電費(fèi)。

(2)對于雙電源供電，高壓側(cè)分列運(yùn)行的用戶變，則不能籠統(tǒng)將供用電合同中約定的用電容量作為S，也不能以基本電費(fèi)計收容量作為S_i，而是需根據(jù)其電氣主接線確定S_i。如圖3所示。

確定電源一側(cè)的諧波電流限值時應(yīng)以S₁作為S_i，確定電源二側(cè)的諧波電流限值時應(yīng)以S₂作為S_i。

1.2 國標(biāo)執(zhí)行不方便

國標(biāo)中只提出用式(1)對用戶諧波電流作限制。在實(shí)際執(zhí)行中，如果對大量小用戶均用此辦法核算，則工作量很大，也不太現(xiàn)實(shí)。建議參]NIEC61000-3-6對用戶諧波的限制分三級處理，第1級原則上是以用戶協(xié)議容量S_i，和公共連接點(diǎn)的短路容量S_sc之比來判斷。對于中低壓系統(tǒng)，S_i／S_sc≤0.1％時允許接網(wǎng)；對高壓系統(tǒng)，當(dāng)S_i／S_sc≤0.1％～0.4％時允許接網(wǎng)；第二級限制原則與國標(biāo)類似，也是基于式(1)的結(jié)果。第三級是針對高于一級和二級諧波水平的用戶，需采取必要的濾波措施，以滿足式(1)的要求，在確保諧波電壓不超過規(guī)劃值的前提下，也可適當(dāng)放寬用戶的諧波限值，特許這樣的用戶接網(wǎng)。

1.3 諧波電流的測量不合理

國標(biāo)中規(guī)定的用戶諧波電流限值是指用戶諧波源產(chǎn)生流入PCC點(diǎn)的諧波電流值，而目前測量的諧波電流值只是負(fù)荷電流中諧波電流的數(shù)值，也包含了電網(wǎng)背景諧波電壓在用戶負(fù)荷阻抗上產(chǎn)生的諧波電流，這是不合理的。試想純線性負(fù)載在電網(wǎng)背景諧波電壓作用下，也會產(chǎn)生諧波電流，但這并非用戶的過錯。合理的測量手段應(yīng)該能根據(jù)諧波有功功率的方向判斷用戶端還是電網(wǎng)端是諧波源，如果h次諧波有功功率是負(fù)的，則認(rèn)為用戶端是諧波源，只測量用戶端諧波源注入系統(tǒng)的諧波電流，剔除電網(wǎng)背景諧波電壓在用戶負(fù)荷阻抗上產(chǎn)生的諧波電流，這樣測得的值才是合理的。

目前的國標(biāo)在可操作性上存在一些問題，應(yīng)盡快參照IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國實(shí)際情況作修改，以利于諧波治理工作的有效開展。

2 關(guān)于供電方的責(zé)任

《電力法》第四章第28條規(guī)定：“供電企業(yè)應(yīng)當(dāng)保證供給用戶的供電質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)，對公用供電設(shè)施引起的供電質(zhì)量問題應(yīng)及時處理?！惫秒娋W(wǎng)諧波污染主要由各類非線性用電設(shè)備的諧波電流注入電網(wǎng)引起，一般認(rèn)為主要的責(zé)任在用電方，所謂的供電方責(zé)任也只是做好用戶的諧波治理工作，即從源頭上治理諧波。筆者認(rèn)為治理用戶的諧波固然重要，但絕不能忽視電網(wǎng)自身的諧波管理工作，主要工作包括以下內(nèi)容。

2.1 做好電網(wǎng)側(cè)諧波分析評估，避免并聯(lián)電容無功補(bǔ)償裝置對諧波的放大

電網(wǎng)和用戶的電容器組接入電網(wǎng)，均必須保證不對電網(wǎng)原有的各次諧波產(chǎn)生嚴(yán)重放大和諧振。電網(wǎng)諧波電壓在電網(wǎng)正常供電的各種運(yùn)行方式下，當(dāng)電容器組以各種運(yùn)行方式投運(yùn)時，實(shí)測諧波電壓放大率不得大于1.5倍，且不得超過國家標(biāo)準(zhǔn)，特別要重視電容補(bǔ)償裝置串聯(lián)電抗率的選擇。近年來，新建變電站建設(shè)時，通常無功補(bǔ)償設(shè)備與其它設(shè)備一起設(shè)計、投產(chǎn)。新建變電站設(shè)計時，缺乏系統(tǒng)背景諧波資料，變電站補(bǔ)償裝置的串聯(lián)電抗率都按6％配置，這種配置與有的變電站的實(shí)際諧波情況不符，不僅導(dǎo)致電網(wǎng)背景諧波的嚴(yán)重放大和諧振，還造成部分電容器損壞。

某電業(yè)變電站經(jīng)常發(fā)生電容器燒壞事故，經(jīng)實(shí)測，電容器投入運(yùn)行時，該站10kV母線電壓總諧波畸變率達(dá)8.5％，其中3次諧波電壓含有率達(dá)7％，當(dāng)電容器退出運(yùn)行時，電壓總諧波畸變率仍達(dá)6％，其中3次諧波電壓含有率達(dá)4.6％，經(jīng)分析認(rèn)為大量公共用戶電子產(chǎn)品的用電負(fù)荷是電網(wǎng)諧波超標(biāo)的主要原因，而該站配置6％的串聯(lián)電抗器，又導(dǎo)致3次諧波放大。將串聯(lián)電抗率按13％進(jìn)行配置，并對電容器進(jìn)行改造，增加3次諧波濾波支路，改造后電容器運(yùn)行良好，且10kV母線電壓總諧波畸變率降至3％。

電抗率選擇時應(yīng)遵循以下原則：電容器投入后能安全運(yùn)行，不對電網(wǎng)原有的各次諧波產(chǎn)生嚴(yán)重放大，電容器與系統(tǒng)的諧振點(diǎn)須避開系統(tǒng)特征諧波，具體原則是：電網(wǎng)諧波含量較小時配1％以下小電抗，主要為5次及以上諧波(3次諧波很小)時，配4.5％～6％的電抗率，主要為3次及以上(無3次以下)諧波時，配12％～13％的電抗率，也可以考慮配4.5％～6％和12％～13％的電抗率。

對于裝設(shè)在配電線路上的分散補(bǔ)償電容器及用戶變裝設(shè)的無功補(bǔ)償電容器也應(yīng)以此為原則配置串聯(lián)電抗器，嚴(yán)禁無串聯(lián)電抗器的電容器投入運(yùn)行。

接有5000kvar及以上容量無功補(bǔ)償裝置或向諧波源供電的110kV及以上輸變電工程初步設(shè)計審查時，應(yīng)包括諧波審查內(nèi)容，并以該工程竣工驗收時的實(shí)際測量結(jié)果為準(zhǔn)。

2000kvar及以上容量電容器組施工驗收項目中增加諧波測試項目。測試環(huán)境，應(yīng)包括電容器組在各種可能運(yùn)行方式下的組合投運(yùn)，并應(yīng)盡可能包括電網(wǎng)正常供電的各種運(yùn)行方式。測試不合格時不得投運(yùn)。

2.2 對母線諧波電壓超標(biāo)的電業(yè)變電站進(jìn)行諧波污染治理

對諧波電流超標(biāo)的用戶進(jìn)行諧波治理后，還有大量諧波電流未超標(biāo)的用戶源源不斷向系統(tǒng)注入諧波電流，到一定程度后將造成公用電網(wǎng)內(nèi)諧波電壓超標(biāo)，如某10kV居民小區(qū)變電所，其380V母線電壓諧波總畸變率達(dá)7.7％，供電企業(yè)必須對此采取措施以向廣大用戶提供質(zhì)量合格的電能。所以，在用戶端進(jìn)行諧波治理的同時，對母線諧波電壓超標(biāo)的電業(yè)變電站也進(jìn)行諧波治理是十分必要的。當(dāng)前這一問題并未引起足夠重視。

2.3 進(jìn)行諧波普測并建立諧波在線監(jiān)測平臺

變電所各級電壓母線的諧波電壓畸變率、公用饋線諧波電流含有率、諧波源用戶注入PCC點(diǎn)的諧波電流應(yīng)定期鍘試，掌握系統(tǒng)特征諧波，既可為電容無功補(bǔ)償裝置設(shè)計提供依據(jù)，又可及時發(fā)現(xiàn)諧波源用戶?？萍嫉陌l(fā)展使建立諧波在線監(jiān)測平臺成為可能，通過在以上監(jiān)測點(diǎn)安裝電能質(zhì)量監(jiān)控單元，利用現(xiàn)代通信技術(shù)，形成地區(qū)電網(wǎng)諧波在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)跟蹤電網(wǎng)母線電壓指標(biāo)及重點(diǎn)用戶注入電網(wǎng)的諧波電流，便于管理部門實(shí)時掌握電網(wǎng)諧波變化動態(tài)。

2.4 合理確定諧波源的供電方案，對于大型諧波源改為較大容量的供電點(diǎn)或更高一級電壓供電點(diǎn)供電，增大系統(tǒng)承受諧波的能力。

電網(wǎng)諧波治理工作普遍存在“重用戶，輕電網(wǎng)”現(xiàn)象，供電企業(yè)應(yīng)本著對廣大電力用戶高度負(fù)責(zé)的態(tài)度改變此現(xiàn)狀。

3 關(guān)于諧波源用戶的管理

(1)對于新裝的諧波源用戶，在工程初步設(shè)計時，必須有諧波治理方案設(shè)計，把好每個諧波源用戶的初設(shè)審查關(guān)，諧波源用戶投產(chǎn)時，必須經(jīng)諧波實(shí)測，如實(shí)測結(jié)果超標(biāo)，則應(yīng)責(zé)成用戶限期整改，待符合國標(biāo)要求后方可供電。

(2)對于諧波超標(biāo)的已入網(wǎng)用戶，根據(jù)《供電營業(yè)規(guī)則》第55條規(guī)定“用戶的非線性阻抗特性的用電設(shè)備接入電網(wǎng)運(yùn)行，所注入電網(wǎng)的諧波電流超過GB／T14549-93標(biāo)準(zhǔn)時，用戶必須采取措施予以消除，否則供電企業(yè)可中止對其供電”，要求用戶限期整改，如用戶拒不整改，堅決按規(guī)定程序中止供電。

(3)有的供電企業(yè)在諧波源用戶供電專線上裝設(shè)諧波保護(hù)裝置，超過規(guī)定的整改期限后，投入保護(hù)裝置，一旦用戶注入電網(wǎng)的諧波電流超標(biāo)，自動跳閘，停止供電，對于這種看似非常有效的辦法，筆者認(rèn)為不合理也不合法。根據(jù)《供電營業(yè)規(guī)則》第66條、67條規(guī)定，除因故中止供電外，供電企業(yè)需對用戶停止供電時，應(yīng)有嚴(yán)格的審批程序，不經(jīng)通知就實(shí)施停電將使供電企業(yè)面臨極大的法律風(fēng)險。

(4)針對有的諧波源用戶發(fā)現(xiàn)諧波可使電能計量裝置少計電量后，故意不投入濾波裝置的問題，可以在濾波器開關(guān)與諧波源設(shè)備開關(guān)之間裝設(shè)連鎖裝置來解決，以實(shí)現(xiàn)濾波器與諧波源設(shè)備同步投入。

4 關(guān)于濾波器的選擇

雖然有源濾波器有很優(yōu)越的濾波性能，無源濾波器確實(shí)存在種種不足之處，但無源濾波器的高性價比使用戶在實(shí)際選用時，毫不猶豫的選擇了LC無源濾波器。無源濾波器在設(shè)計時必須保證以下三點(diǎn)：

(1)LC濾波器回路不會與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振。

(2)不放大其它次數(shù)諧波。

(3)投入運(yùn)行時不會出現(xiàn)無功過補(bǔ)償。

對于諧波頻譜較豐富的場合，使用無源濾波器往往力不從心，只能使用有源濾波器濾波。如果諧波量又很大時，可以使用無源濾波器和有源濾波器組合方案，主要諧波采用無源濾波器，對其他諧波采用有源濾波器。

5 關(guān)于濾波器的裝設(shè)地點(diǎn)

大型船舶修造企業(yè)內(nèi)部供電系統(tǒng)較復(fù)雜，其總降壓站自電網(wǎng)受電，二級配電站遍布廠區(qū)，主要諧波源分布在各二級配電站的380V側(cè)，有以下兩種諧波治理方案：

(1)只在總降壓站10kV母線安裝濾波器。

(2)在各諧波源供電點(diǎn)就近安裝濾波器分散治理諧波。

方案一的治理結(jié)果是使注入PCC點(diǎn)的諧波電流達(dá)標(biāo)，滿足了電力局的要求，但并未治理廠區(qū)內(nèi)部用電系統(tǒng)的諧波污染，其大量用電設(shè)備仍然在遭受諧波污染的危害，并未治本。如某船舶修造廠注入電網(wǎng)PCC點(diǎn)的諧波電流指標(biāo)已達(dá)標(biāo)，但在廠區(qū)內(nèi)低壓變頻器供電點(diǎn)上經(jīng)常出現(xiàn)其它用電設(shè)備無法正常運(yùn)行的現(xiàn)象，后在該配電站安裝了濾波器后問題才解決。方案二才是標(biāo)本兼治的方案，治理結(jié)果不僅能滿足電力局要求，更把廠區(qū)內(nèi)的用電系統(tǒng)治理成“綠色”系統(tǒng)，使用電設(shè)備徹底擺脫諧波公害的危害。但遺憾的是，筆者接觸的絕大多數(shù)諧波源用戶都選擇了方案一，認(rèn)為該方案簡單省事，投入少。究其主要原因是因為諧波污染的危害是隱性的，只要不出現(xiàn)用電設(shè)備無法正常使用的情形，用戶就不會主動去治理諧波，基本上是在電力局的要求下，才去治理諧波，而治理的目的也僅僅是為了滿足電力局要求?？磥碇C波知識的宣貫力度還需加強(qiáng)。

6 結(jié)束語

本文就電網(wǎng)諧波治理工作中遇到的以下幾方面問題作了探討：

(1)目前的國標(biāo)可操作性不強(qiáng)，應(yīng)盡快參照IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國實(shí)際情況作修改，以利于諧波治理工作的有效開展。

(2)供電企業(yè)在治理用戶端諧波污染的同時，應(yīng)同步展開電網(wǎng)側(cè)的諧波治理工作，特別注意并聯(lián)電容無功補(bǔ)償裝置電抗率的選擇，避免無功補(bǔ)償電容器對諧波的放大，在電壓諧波含量超標(biāo)的變電所安裝濾波器也是必要的，建立諧波在線監(jiān)測平臺是重要的諧波管理手段。

(3)探討了諧波源用戶的管理，對諧波保護(hù)投跳閘問題發(fā)表了自己看法。

(4)對濾波器的選用及治理方案的選擇進(jìn)行了比較。

7 參考文獻(xiàn)

[1]IEC61000-3-6《中壓和高壓電力系統(tǒng)中畸變負(fù)荷發(fā)射限值的評估》1996[S]。

[2]周勝軍，林海雪，并聯(lián)電容器裝置的諧波簡化分析與計算[J]供用電，2009，(1)4—9。